空气温湿度测量仪设计毕业设计(编辑修改稿)

空气温湿度测量仪设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

第一章 绪论 3 1 绪论 研究背景 我国耕地面积逐年减少，截止 2020年，我国耕地面积为 ，比上年减少 30万公顷，人均耕地面积仅为 926㎡，不到世界人均的 40%，我国农业需要向优质、高效、高产的现代化农业转型。 如何在有限的农业资源基础上，面向我国农业特点，借助先进的科技手段提高生产效率已经成为必须解决的重大问题。 我国现阶段农业生产具有以下特点：农作物对某些环境因子变化敏感，当环境因子出现极端情况时，如不能 及时采取措施，农作物就可能大面积减产，造成严重经济损失。 如若持续高温，容易造成病虫滋生蔓延，从而影响植株的正常生长发育；如若持续低温，则容易冻死菜苗，造成寒害。 我国地域辽阔、气候多样，生产条件千差万别，不同作物、不同品种均需因地制宜进行管理，而目前我国农业生产以小家庭模式为主，农业技术人员缺少、农民知识水平较低，缺乏针对性的科学生产指导。 基于以上需求，有必要设计一种低成本、面向小规模生产的设施农业的环境监测预警控制设备。 能够实现环境因子的实时监测和远程灾害气候预警预报，从而有效避免夏季高温和冬季寒害带来的 损害 ，增加农业生产的产量。 本文设计一种操作简单、精确检测控制的低成本监控 预警 设备，使之既能保证对设施环境的实时检测及预警， 同时在此基础上可以增加另外的模块 ，对温室设施农业的发展具有重要意义。 研究 现状 自从监控应用到设施农业以来，国内外许多公司、高校和研究机构纷纷投入力量加入到这一领域。 但直到本世纪初，人们在该领域的研究工作还基本上处于起步阶段。 直到 2020 年，微电子技术、嵌入式技术和微机电系统技术的成熟，使人们看到设施农业监控应用的潜能。 至此，监控应用的研究进入了迅速发展阶段。 国外研 究现状 国外借助 其电子技术与传感器技术 方面的优势，环境及生物信息的获取与监视的 数字 设备较为成熟，已有很多基 于数字检测的 先进的产品化设备出售。 其代表国家有荷兰，日本，以色列和美国等。 例如，美国加州大学伯克利分校所设计的环境实时监测系统，应用在俄勒冈州的一个葡萄园中，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度和日照等信息，通过无线通信技术发送到信号接收节点，再通过网络发送到计算机上，再由计算机系统中的相关应用软件对数据进行分析处理，最后由葡萄园主从显示系统中观看分析结果。 英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观 测 50km 以外温室内的光、湿、空气温湿度测量仪设计 4 气和水等环境状况，并进行遥控。 以色列温室环境控制系统是现阶段比较典型的代表性产品，具有很强的实用性，可以根据控制对象的特点选用不同类型的控制器及外围设备，具体特点包括：具有一个综合性的、实用灵活的、由许多控制应用程序构成的软件包，可检测温度、湿度、风速、风向等数据，主控制与控制网络的通信可以通过电缆、无线或手机等方式进行；软件基于 Windows 平台。 国内 研究 现状 与国外 应用 相比，国内在农业方面的 数字 监控领域的研究起步较晚，但也取的了很快进展。 从国内对环境 监控来 看， 大 部分温室利用传统 测量 仪器 相对比较 普遍 ， 这种测量仪器在测量的便捷性和准确性上有很大的缺限。 一些其他的温湿度测量仪不但价格昂而且不利于以后的功能的扩展即建立整个温室的远程的监测控制设备。 威讯紫晶科技公司开发了无线环境监测系统，由采集终端、数据收集器将测量到的温度、湿度数据等通过 GPRS 网络无线发送到中心监控主机，可以同时监测上百个采集器，网关支持 ZigBee技术，具有低成本、低功耗和安全简易等特点。 适合大面积多因子的环境监测，如连栋温室等。 在这复杂的系统中基础的模块就是温湿度屏显模块。 这个系统主要是对大型的温室 ，其投资较大，系统比较复杂，操作复杂。 研究目的 与内容 本项设计面向设施农业生产，采用 传感和屏显 信息技术，将传统农业与农业信息化、数字化结合，研制精准农业信息监测设备。 该设备能向用户提供精确、实时的作物生长的环境信息，对灾害气候进行现场预警，并提供部分控制功能，可调控部分环境因子，实现农作物生长环境的最佳条件。 满足大规模推广需求，易于实现项目成果的产品化。 本文以 STC89C51 单片机为核心处理器，通过对空气温湿度测量仪的模块化，选择出不同的元器件类型 [20]，根据元器件类型的型号进行各个模块的软件 编写，进行本次设计的电路硬件和软件的校核，最终设计产品准确显示空气的温湿度。 论文结构 本论文章节结构按如下安排： 第一章介绍 监测 系统的研究背景、国内外 利用 现状、研究目的和论文结构。 第二章给出系统设计原理框图，选择器件类型以及对设计中用到的元器件的介绍。 第三章硬件电路的设计，包括 主控 模块、 温湿度传感器 模块、电源模块以及人机交互模块电路设计。 第四章主要是软件设计与实现，介绍单片机开发软件 Keil，重点是各个模块软件设计。 第五章主要是系统 仿真验证分析。 第一章 绪论 5 第六章主要是总结与展望。 空气温湿度测量仪设计 6 2 系统结构设计 及元器件选型 本章节主要是对系统结构设计和系统各个模块器件的选型。 先确定系统结构，再根据系统结构的类型确定各个系统模块器件的类型。 选出的各个模块的型号关系到此次设计的所用的电路的类型和软件编程的复杂程度，因此要考虑清楚每一个器件的优点缺点，为以后的工作减少负担。 系统结构设计 所谓的模块化设计，简单的说就是将产品的某些要素组合起来，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。 模块化设计已被广泛用于 机床、电子产品、航空、航天等设计领域。 本文设计 的温湿度屏显设计 是实现设施温室作物的温湿度 的数字显示以及现场报警 ， 如果加上一些外加模块也可以 提供对卷帘机和滴灌设备的控制。 采用模块化设计思想，该系统主要由 主控 模块、 测量 模块 、 电源模块、 用户 交互模块及相关软件组成。 整个系统以单片机为控制核心，系统运行时，首先将数据采集模块采集到的环境数据传送到单片机模块上，并将采集到的数据显示在液晶屏上 ,由存储在单片机的决策算法对数据进行分析后做出是否 报警灯开和启蜂鸣器响起。 也可以在以后的开发中加入通信模块从而 对于采集到的数据可 定时发送给用户，也可以定期存储，当用户远程通过短信索取时发送给用户，设备的控制支持现场的按键操作，也可以通过短信息远程控制。 系统 模块 示意图如 21 所示： 图 21 温湿度仪模块 示意图 第二章 系统结构设计及元器件选型 7 器件选型 在系统的硬件设计上，最重要的是低功耗的设计。 低功耗的设计可以分为硬件和软件两个方面，在硬件方面体现在芯片的选择上。 单片机 模块 选型 单片机是整个 主控模块 的核心， 也是整个系统的核心， 直接关系到系统的整体性能、价位、开发难度等。 因此在选择时要综合考虑 . 最终决定 采用 STC89C51/STC89C52 单片机作为控制模块的核心。 此 单片机运用比较广泛， 单片机的处理速度能够满足本次设计需求，本次设计接口数量也能够满足。 以前对这种类型的有过学习，能够熟练的掌握 51 单片机的性能和软件编程。 此类型单片机的运用参考实例也超过其他单片机。 此外价格比较便宜，功耗较小，满足各种应用需求。 非常适合这次设计，外加以前的了解更加可以提高本次设计的效率。 [17] STC89C51 单片机简介： STC89C51 是 ATMEL 公司 生产的单时钟机器周期的单片机。 4K 字节可编程闪烁存储器。 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP 在系统可编程芯片，最高工作 时钟频率 为 80MHz，片内含 8K Bytes 的可反复擦写多次的 Flash 只读 程序存储器 ，器件兼容标准 MCS51 指令系统 及 80C51 引脚 结构，芯片内集成了通用 8 位 中央处理器 和 ISP Flash 存储单元 ，具有在系统可编程（ ISP）特性，配合 PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列 单片机 是单时钟 /机器周期 (1T)的兼容 8051 内核单片机，是高速 / 低功耗的新一代 8051 单片机，全新的流水线 /精简指令集 结构 ,内部集成 MAX810 专用复位电路。 [48] 实物如图 22。 图 22 STC89C51 实物图 测量模块 选型 测量模块的选型主要是以传感器的选型为主，本次测量模块设计要求的传感器的种类为温湿度传感器。 空气温湿度测量仪设计 8 传感器的选型主要参考的参数有：供电电压、测量范围、测量精度、响应时间、总线类型、输出类型、成本。 结合设备应用场合及测量精度和范围 [1]， 提出两种方案： 方案一：选择温度传感器 RTD 和湿度传感器 C5M3 组合测量温湿度。 这个方案有一定的可行性，但是这种组合无论是电路图还是软件设计都比较复杂，输出的为模拟型号，还要进行信号的模数转换，大大增加了复杂性。 即使完成的 设计其精确性性也不高。 还会增加成本。 方案二：采用温湿度一体的传感器，其中选择使用相对广泛的 SHT10。 温湿度传感器 SHT10 是 体积小功耗低 的 数字传感器 [16]。 只有一个传感器，节约了单片机接口。 另外对于 STC89C51 单片机的特性，只能够接受数字信号。 SHT10 为数字传感器，即直接可以输出数字信号，因此可以直接与单片机相连，减少了模数转换电路。 减小设计的复杂程度。 此传感器比较精度高，也可以提高产品的精确度。 经过考虑选用方案二可以更加满足需求。 SHT10 传感器 其主要技术参数如下 [1015]： 供电电压 ： — 总线类型： I2C 温度测量范围： 40— ℃ 湿度测量范围： 0— 100%RH SHT10 温湿度传感器实物见图 23； SHT10 结构见图 24： 图 23 实物图 图 24 传感器接口图 液晶模块选型 方案一：用 LED 数码管显示。 LED 功耗低，控制简单，显示清晰。 但只能显示数字和 abcdef 等若干简单的符号，有的复杂符号无法显示，不能更直观和透彻的显示数据。 方案二：用 LCD 液晶屏显示。 可以显示各种复杂的字符、数字。 像素高，信号响应时 间短，控制方便，显示方式多，可以实现菜单驱动方式的显示效果，实现编辑模块全屏幕编辑的功能。 LCD 同样具有功耗低的特点，且本身具有控制器，可以节约主单片机的一些资源更好的应用到其他功能，减轻了主单片机的负担，同时显示数据更全面彻底。 基于上述分析，选择方案二，采用 LM016L 显示。 第二章 系统结构设计及元器件选型 9 液晶实物见图 25， LM016L 接口图见图 26 图 25 液晶实物图 图 26 LM016L 接口图 LM016L 引脚简介： 第 1 脚： VSS 为地电源。 第 2 脚： VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚： VEE 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚： RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚： R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E 端 由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 7～ 14 脚： D0～ D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 LM016L 主要性能： 显示容量 :16 2 个字符 芯片工作电压 :— 工作电流 :() 模块最佳工作电压 : 字符尺寸 : (W H)mm 硬件选型综述 经过上述的选择决定 系统以 51 系列单片机 (STC89C51)做为处理核心，采用模块化设计思想，该系统主要由 主控 模块、 测量 模块、电源模块、 用户 交互模块及相关软件组成。 温湿度传感器是本系统的测量元件，传感器性能的好坏直接影响到本系统性能的好坏。 在本设计中温湿度传感器采用的是 SHT10。 并且 SHT10 传感器有产生的是数字信号，减少了模拟信号到数字信号的转化，比较方便。 空气温湿度测量仪设计 10 在本系统中，采用 LCD 作为显示单元， LCD 液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点，正在广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域。 本系统采用 LM016L 液晶显示模块，它是 12864 点阵型液晶模块，自带字库，可显示各种字符及图形 ，可以和单片机接口直插相连。 本章 小结 本章主要是对 温湿度屏显系统 的总体设计，以及设备设计所需的各模块的主要元器的性能要求和选型结果。 第三章 硬件电路设计与实现 11 3 硬件电路设计与实现 空气温湿度测。